DE2446850A1

DE2446850A1 - Spannungsvergleichsschaltung

Info

Publication number: DE2446850A1
Application number: DE19742446850
Authority: DE
Inventors: Claude Hannigsberg
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1973-10-04
Filing date: 1974-10-01
Publication date: 1975-04-24
Also published as: FR2246876A1; SE404554B; FR2246876B1; US3952248A; NL7412717A; SE7412381L; DE2446850B2

Description

Unser Zeichen; L 945

LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES 89, rue de la Faisanderie
75782 Paris, Frankreich

Spannungsvergleichsschaltung

Die Erfindung betrifft den Vergleich von elektrischen Spannungen und insbesondere eine Schaltung, die festzustellen ermöglicht, ob das Verhältnis oder die Höhendifferenz zwischen zwei Gleichspannungen, die gegebenenfalls veränderlich sind, aber dieselbe vorbestimmte Polarität haben, unter oder über einem bestimmten Wert liegt.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltung zum Vergleichen von zwei Spannungen zu schaffen, die für das bloße Verhältnis dieser Spannungen empfindlich ist, unabhängig von ihren Werten, die sie in jedem Zeitpunkt in ihrem besonderen Änderungsintervall einzeln annehmen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Schaltung zum Vergleichen von zwei Spannungen, die als integrierte Schaltung, Hybridschaltung oder monolithische Schaltung hergestellt werden kann.

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Die Schaltung nach der Erfindung,welche drei Spannungsteiler enthält, die mit einem gemeinsamen Massepunkt verbunden sind und jeweils aus einem Festwiderstand und einem veränderlichen Widerstand bestehen, der für den ihn durchfließenden Strom empfindlich ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die eine bzw. die andere der zu vergleichenden Spannungen mit fest angenommenen Polaritäten ein erster und ein zweiter der Spannungsteiler mit Strom konstanter Richtung gespeist sind, daß der dritte Spannungsteiler durch eine von mindestens einer der zu vergleichenden Spannungen abgeleiteten Spannung einerseits mit einem Strom konstanter Richtung und durch eine Quelle mit stabxler Amplitude andererseits mit einem Wechselstrom gespeist ist, daß die Wechselspannung an dem mittleren Punkt des dritten Spannungsteilers den ersten und den zweiten Spannungsteiler speist und daß die relativen Lagen der Festwiderstände und der veränderlichen Widerstände in dem ersten und dem zweiten Spannungsteiler gleich und in dem dritten Spannungsteiler mit Bezug auf den ersten und den zweiten Spannungsteiler umgekehrt sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus den beiden Wechselspannungen, die an den mittleren Punkten des ersten bzw. zweiten Spannungsteilers geliefert werden, durch entsprechendes Verstärken, Gleichrichten und Filtern eine resultierende Spannung gebildet.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Festwiderstände der Schaltung derart festgelegt, daß sich während der Änderungen der beiden Spannungen, deren Werte man vergleicht, die Ohmschen Werte der veränderlichen Widerstände in möglichst großem Ausmaß ändern. Zu diesem Zweck sind die verwendeten veränderlichen Widerstände vorzugsweise Halbleitergleichrichterdioden, die derart vorgespannt sind, daß sich ihr Differentialwiderstand in einem großen Bereich ändert.

Wie gezeigt werden wird, ist die resultiereide Spannung

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- Pr -

eine verhältnismäßig einfache Funktion des Verhältnisses der beiden zu vergleichenden Spannungen/ d.h. der Differenz ihrer Höhen. Man kann somit die Erfindung nicht nur dafür verwenden anzuzeigen, ob die Differenz der Höhen zwischen den beiden Gleichspannungen unter oder über einem gegebenen Wert liegt, sondern man kann sie auch zum Messen dieser Differenz anwenden, indem ein Spannungsmeßgerät bekannter Art verwendet wird, welches vorher gemäß der Funktion geeicht worden ist, die die resultierende Spannung mit der Differenz der Höhen der beiden verglichenen Spannungen verknüpft.

Die Vergleichsschaltung nach der Erfindung ermöglicht außerdem, die Höhen von zwei periodischen oder nichtperiodischen Wechselspannungen mit festen oder veränderlichen Höhen zu vergleichen. Es genügt, gleichzeitig eine zweckmäßige Verstärkung, Gleichrichtung und Filterung jeder der Spannungen mit Hilfe von zwei zwar getrennten, jedoch praktisch gleichen Schaltungen vorzunehmen und die von diesen Schaltungen gelieferten Spannungen mit fester Polarität an den Eingang der Vergleichsschaltung anzulegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Grundschaltbild einer Vergleichsschaltung nach der Erfindung,

die Fig.

2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele eines Teils der

Grundschaltung von Fig. Λ,

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Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel des Ausgangskreises der Vergleichsschaltung von Fig. 1,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel dieses Ausgangskreises, und

Fig. 6 eine Einzeldarstellung einer Variante der Grundschaltung von Fig. 1 .

Fig. 1 - Ein erster Spannungsteiler enthält den Widerstand 3 und die Halbleiterdiode 1; ein zweiter Spannungsteiler den Widerstand 4 und die Diode 2; ein dritter Spannungsteiler die Diode 5 und den Widerstand 6. Die beiden zu vergleichenden Spannungen U1 und U2, deren Polaritäten als positiv angenommen sind, sind an die Eingangsklemmen 11, 12 angelegt. Sie speisen den ersten und den zweiten Spannungsteiler über Widerstände 7 bzw. 8 und spannen die Dioden 1 bzw. 2 vor.

Der Buchstabe R gefolgt von einem Bezugszeichen bezeichnet den Gleichstromwiderstand des betreffenden Bauelements, d.h. der Diode oder des Festwiderstandes, während die Buchstaben Rd gefolgt von einem Bezugszeichen den Differentialwiderstand der entsprechenden Diode bezeichnen, wobei die oben genannten Bauelemente derart gewählt sind, daß gilt:

R7 » R1 und R3 » R1 R8 » R2 und R4 » R2

R6 « Rd5

R3 » Rd1

R4 » Rd2

(D

R7 + R3 _ R3 + R4 _ , (2)

R3 " R4 ~ ^K

Eine Quelle 10 liefert an den Klemmen 13, 14 eine sinusförmige Spannung mit einer Amplitude E. Diese Spannung speist den dritten Spannungsteiler 5, 6 über einen Verbindungskondensator 15. Die eine Amplitude V aufweisende

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sinusförmige Spannung an einem Punkt 16, welcher mit der Diode 5 und dem Widerstand 6 verbunden ist, wird über Verbindungskondensatoren 17 und 18 zu Punkten 19 bzw.20 übertragen. Die Amplituden V1 bzw. V2 aufweisenden sinusförmigen Spannungen an mittleren Punkten 21 bzw. 22 liegen an Klemmen 23 bzw. 24 des Ausgangskreises 25 an, der in verschiedenerlei Weise aufgebaut sein kann, was weiter unten beschrieben ist (Fig. 4 und 5). Der Ausgang des Kreises 25 steuert die Anwendungsschaltung 30.

Als Anhaltspunkt sei angegeben, daß sich die Spannungen U1 und U2 bei der üblichen Praxis in der einen oder in der anderen Richtung ändern können, wobei ihr Verhältnis zwischen 1 und 20 bleibt.

Es sei daran erinnert (und diese Feststellung wird zum Schreiben der Beziehung zwischen dem Ausgangssignal und dem Verhältnis rr^ verwendet) , daß der Differentialwiderstand einer Halbleiterdiode, hier eine beliebige Diode der Dioden 1, 2 und 5, mit sehr guter Annäherung umgekehrt proportional zu dem sie durchfließenden Strom ist.

Wenn die. Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind, kann man für die Gleichspannungen und Gleichströme mit sehr guter Näherung schreiben:

¹¹I

12 J

U1 = (R7 + R3)

U2 = (R8 + R4) ^TO I ⁽³⁾

Die sinusförmigen Spannungen und Größen sind sämtlich in Phase, weil die Schaltung kein Blindstrom-Bauelement enthält, mit Ausnahme der Verbindungskondensatoren, deren Werte aber so gewählt sind, daß keine Phasenverschiebung hervorgerufen wird. Man kann somit nur die Amplituden betrachten und schreiben:

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ν - r ^R6
^V ~ ^Ε Rd5

ν ^R6

V2 = V - ^

^V ■ ^V R4 " R4 12

woraus sich unter Verwendung der Gleichungen (3) ergibt: V2 - V1 = E k R6 ι (1_ - 1_) -(4)

Fig. 2 - Das Netzwerk 9 enthält einen einzigen Widerstand R9a, der mit der Klemme 11 verbunden und so groß ist, daß gilt

R9a 2> R5 und R9a » R6

In diesem Fall.kann man somit schreiben: U1 = R9a I

so daß die Gleichung (4) geschrieben werden kann: ^v2 ^^vl " ^{E k} Ü M

In diesem Fall wird man den in Fig. 4 dargestellten Ausgangskreis verwenden.

Man wird feststellen, daß die beiden Werte von rr^, die zwei Werten von (V2 - V1) entsprechen, welche im Absolutwert gleich sind, aber entgegengesetzte Vorzeichen haben, nicht zueinander entgegengesetzt sind.

Fig. 3 - Das Netzwerk 9 enthält zwei Widerstände 91 und 92, die mit den Klemmen 11 bzw. 12 verbunden und so groß sind, daß gilt:

R91 und R92 » R5 und R6 woraus folgt:

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Ü1 = R91

U2 - R92 Ib2

Praktisch wählt man R91 = R92 = R9b, so daß gilt

U1 + U2 = R9b (Ib1 + Ib2) = R9b I und sich für die Gleichung (4) ergibt:

V2 - V1 =Ek|_H (§1 - §f) (6)

Man kann, wie in dem vorhergehenden Fall, den in Fig. 4 dargestellten Ausgangskreis verwenden. Man wird jedoch feststellen, daß die beiden Werte von ^, die zwei Werten von (V2 - V1) mit gleichen Absolutwerten, aber entgegengesetzten Vorzeichen entsprechen, einander entgegengesetzt sind, d.h. daß ein Wert von |V2 - V1I einem

TjI

einzigen Wert von I log rr^^d.h. von I N1 - N2 I entspricht, wobei N1 und N2 die Höhen der Spannungen U1 und U2 bezeichnen. Wenn man sich somit nicht für (N1 - N2), sondern einfach für | N1 - N2 I interessiert, genügt es, durch den Ausgangskreis | V2 - V11 erscheinen zu lassen: diesen Wert gibt der in Fig. 5 dargestellte Kreis ab.

Ausganskreis gemäß Fig. 4 - Der Verstärker 255 bildet eine zu dem Wert |V2 - V1| proportionale Spannung und gibt sie an dem einen oder dem anderen der Ausgänge 261 und 262 ab, je nach dem, ob die Amplitude V2 größer oder kleiner als die Amplitude V1 ist. Ein solcher Verstärker kann in verschiedenerlei Weise mit Transistoren oder Operationsverstärkern verwirklicht werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Schaltung 30 (Fig. 1): zwei Schwellenwertschaltungen 31, 32 (deren Schwellenwerte dem für jede Richtung gegebenen Höhenabstand entsprechen), eine ODER-Schaltung 33 und eine Anordnung 34, bei welcher es sich je nach Lage des Falles um eine Auslöseschaltung, die einen Alarm oder eine Signalgebung steuert, um einen Regelantrieb für die Spannungen U1 und/oder U2, usw. handeln kann.

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—■ 8 -

Ausgangskreis von Fig. 5 - Der Verstärker 27 und der Gleichrichter 28 liefern an einer Klemme 281 eine zu dem Wert |V2 - V1I proportionale Gleichspannung, die an der Schwellenwertschaltung 35 anliegt. Der Ausgang dieser Schwellenwertschaltung steuert eine Anwendungsschaltung 36, die der Schaltung 34 von Fig. 4 ähnlich sein kann.

Abwandlung der Vergleichsschaltung - Wenn in Fig. 1 die Positionen der Bauelemente 1, 2 und 6 mit denen der Bauelemente 3 bzw. 4 bzw. 5 vertauscht werden und wenn man die Bedingungen (1) durch die folgenden ersetzt:

R7 y.	> R1	und	R3
R8 ?	> R2	un'd	R4
Rd 1	» R3
Rd 2	» R4
R9a	oder	R9b	» R6

Rd5

und wenn die Bedingung (2) aufrechterhalten wird, ergibt sich für die Beziehungen (5) bzw. (6):

V2	- V1	E k	R9a R6	⁽ü1	D	(8)
				,U2 -	U
V2	- V1	E	R9b	⁽ü1	I	(9)
k	R6	,U2	D

für welche dieselben Bemerkungen wie für die Beziehungen (5) und (6) gelten.

Weitere Abwandlung der Vergleichsschaltung, Fig. 6 - Es ist unerläßlich, die Wechselspannungen vor dem Gleichrichten zu verstärken, damit Spannungen mit Werten erhalten werden, die zu den Amplituden V1, V2 oder | V2 - V1} ausreichend proportional sind. Es kann vorteilhaft sein, vorher die sinusförmige Spannung an dem Punkt 16 mittels eines Verstärkers 29 zu verstärken, der gemäß der Darstellung in Fig. 6 angeschlossen ist.

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Claims

P atentansprüche

Λ J Schaltung zum Vergleichen der Höhen von zwei elektrischen Spannungen mit fester Polarität und gegebenenfalls veränderlichen Größen, welche drei Spannungsteiler enthält, die mit einem gemeinsamen Massepunkt verbunden sind und jeweils aus einem Festwiderstand und einem spannungsempfindlichen veränderlichen Widerstand bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die eine bzw. die andere der beiden Spannungen mit fester Polarität ein erster und ein zweiter der Spannungsteiler mit Strom konstanter Richtung gespeist sind, daß durch eine Spannung, die von mindestens einer der beiden Spannungen mit fester Polarität abgeleitet ist, der dritte Spannungsteiler mit

Strom konstanter Richtung und durch eine Quelle mit stabiler Amplitude mit einer Wechselspannung gespeist ist, daß die Wechselspannung an dem mittleren Punkt des dritten Spannungsteilers den ersten bzw. zweiten Spannungsteiler speist, daß die relativen Lagen der Festwiderstände und veränderlichen Widerstände in dem ersten und dem zweiten Spannungsteiler gleich und in dem dritten Spannungsteiler in bezug auf den ersten und den zweiten Spannungsteiler umgekehrt sind, und daß aus den Wechselspannungen an den mittleren Punkten der ersten und zweiten Spannungsteiler eine resultierende Spannung durch Verstärken, Gleichrichten und Filtern gebildet wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände.Halbleitergleichrichterdioden sind, die jeweils mittels eines festen Vorspannungswiderstandes vorgespannt sind, dessen Wert in bezug auf die größtmöglichen Werte des Gleichstromwiderstandes der Dioden sehr groß ist und der mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Spannungsteiler in Reihe geschaltet ist.

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3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände des ersten und des zweiten Spannungsteilers mit dem gemeinsamen Massepunkt verbunden sind.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände in dem ersten und in dem zweiten Spannungsteiler in bezug auf die größtmöglichen Werte der Differentialwiderstände der Dioden groß sind und daß in dem dritten Spannungsteiler der Festwiderstand in bezug auf die kleinstmöglichen Werte des Differentialwiderstandes der Diode klein ist.
5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände des ersten und des zweiten Spannungsteilers mit dem gemeinsamen Massepunkt verbunden sind.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände in dem ersten und in dem zweiten Spannungsteiler in bezug auf die kleinstmöglichen Werte der Differentialwiderstände der Dioden klein sind und daß in dem dritten Spannungsteiler der Festwiderstand in bezug ' auf die größtmöglichen Werte des Differentialwiderstandes der Diode groß ist.
7. Schaltung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spannungsteiler mittels eines Festwiderstandes, dessen Wert in bezug auf den Gleichstromwiderstand der Diode des dritten Spannungsteilers groß ist, durch eine einzige der Spannungen mit fester Polarität mit Strom konstanter Richtung gespeist ist.
8. Schaltung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch geknnzeichnet, daß der dritte Spannungsteiler mittels zweier Festwiderstände, deren Wert in bezug auf den Gleichstromwiderstand der Diode des dritten Spannungsteilers groß ist, durch die eine und die andere der Spannungen mit fester Polarität mit Strom konstanter Richtung gespeist ist.

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9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten und den zweiten Spannungsteiler die Verhältnisse des festen Vorspannungswiderstandes (7 bzw. 8) zu dem Festwiderstand (3 bzw. 4) gleich s ind.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wechselspannungen an den mittleren Punkten des ersten bzw. des zweiten Spannungsteilers auf zwei gleichen, getrennten Wegen verstärkt, gleichgerichtet und gefiltert werden, die mit den beiden Eingängen einer symmetrischen Verstärkerschaltung verbunden sind, welche das verstärkte Signal je nach der Richtung der Differenz der Amplituden der Wechselspannungen an dem einen oder dem anderen ihrer beiden Ausgänge abgibt, die mit einem Ausgangs- und Anwendungsschaltkreis verbunden sind.
11. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wechselspannungen an den mittleren Punkten des ersten und des zweiten Spannungsteilers an einen linearen Differenzverstärker angelegt sind, dessen Ausgang mit einer Gleichrichter- und Filterschaltung verbunden ist, deren Ausgangsspannurig einen Ausgangs- und Anwendungsschaltkreis steuert.

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